定向钻进技术在柳林煤田中应用

摘 要：随着我国煤矿综采技术的推广应用，掘、抽、采比例呈失衡态势，瓦斯抽放技术发展相对落后，以往瓦斯抽采工艺远不能达到要求。为保证煤矿接续生产，各矿陆续引进定向钻机及随钻测量系统工艺，对未形成工作面实行区域预抽。改善目前矿上瓦斯抽放系统的不足，本文主要阐述了柳林煤田的各矿定向施工目的及施工效果。

关键词：超前探测 定向钻进 随钻测量

柳林县煤矿企业重组后，安全成为煤矿生产重点，高瓦斯矿井配备定向钻机及随钻测量系统进行超前探测，瓦斯抽放及顺层孔煤层勘探发展为一种趋势。柳林煤田3#、4#煤层为主采煤层，瓦斯含量6.12m3/t，易突出。目前柳林地区根据施工目的不同，贺西煤矿、双柳煤矿及兴无煤矿采用定向钻进技术。下面将从定向钻进技术原理及在柳林煤田施工应用领域施工效果进行分析。

一、定向钻进技术简介

定向钻进技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。其内涵本质是定向钻进有预定目标的。根据设计要求，该目标可以是地下某一点，也可以是孔眼轴线或特定方向和角度，采用一些科学的人为可以控制的技术方法与机具有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯，使之达到目标要求。

煤矿井下随钻测量定向钻进技术主要适用于岩层（硬度系数f1.5）的瓦斯抽放钻孔和地质勘探孔施工。定向钻进系统是由定向钻机、高强度中心通缆钻杆、无磁钻杆、测量探管、孔底螺杆马达、定向钻头、孔口监视器、通缆式送水器等组成。具体随钻测量系统连接示意图如图1。

定向钻进主要动力由泥浆泵驱动螺杆马达进行定向钻进，其螺杆马达的基本工作原理：转子与定子相互啮合，是用两者的导程差而形成的螺旋密封线，同时形成密封腔。随着转子在定子中的转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，完成其能量转换。

1.螺杆马达能够定向钻进基于三个缘由：

1.1钻头回转碎岩而钻杆柱不回转；

1.2可连接不同定向弯外管；

1.3可随钻进行倾角和方位角测量

2.与普通常规钻进工艺相比，定向钻进技术具有以下优势：

2.1定向钻进轨迹可控性，通过与设计轨迹对比，不断的调整螺杆马达的工具面面向角，改变钻孔的倾角与方位角。

2.2随钻测量系统能随时监测钻孔轨迹位置，并指导施工至靶区。

2.3钻进的过程中钻具不回转，对钻孔孔壁扰动小。

二、定向钻进技术在柳林煤田中的应用效果

1.贺西煤矿穿层孔施工

贺西煤矿3#、4#煤层中间间隔4m泥质砂岩，巷道布置在3#煤层中，由于4#煤层瓦斯压力大，巷道底部频繁出现“地鼓”及瓦斯突出等现象，采用普通回转钻进覆盖4#煤层抽采效率很低，2009年9月引入定向钻机及随钻测量系统，在巷道进行穿层孔施工，从3#煤层施工，穿过中间泥质砂岩，钻进至4#煤层中，对4#煤层中瓦斯异常带进行抽放，节约开掘巷道等开支，为矿上创造可观的经济效益，图2为在贺西煤矿施工穿层孔剖面图。

2.双柳煤矿本煤层瓦斯抽放

双柳煤矿305工作面所掘层位为山西组下段顶部的3、4#煤，根据S6钻孔资料，该区域内煤层厚度约为3.75米，区内稳定，结构较简单，含一层厚为0.1～0.4米左右的灰—黑灰色泥岩夹矸层。3、4#煤层为山西组下段顶部煤层，区内煤层稳定，结构复杂，含三层左右黑色泥岩夹矸层。煤层厚度3.8米，倾角为0～10°，平均倾角为4°，煤层普式系数f=1.5，瓦斯绝对涌出量4.0米3/分。

305工作面进风巷因瓦斯涌出，掘进效率缓慢，2010年5月29日至6月9日，共定向施工主孔1个，2个分支孔，试验总进尺1242m。其中主孔孔深744米，1#分支孔钻进至54米时，由于煤层在200m至450m煤层起伏较大，并在300米探到底板两次，实现巷道的超前探测及瓦斯预抽，保证矿上后续掘进的安全生产，定向钻进实钻轨迹平面位置图见图3。

3.兴无煤矿超前探测

为达到2110皮顺巷道超前预抽效果，布置3个定向钻孔，设计钻孔以巷道中心线为勘探线，设计主孔布置在预抽巷道内，距中心线两侧10m各布置一个定向钻孔，防止掘进时巷道侧帮瓦斯突出，钻孔轨迹平面布置图见图4、5。

本次试验在2109南回风巷1#钻场进行，试验煤层为4#煤层。为保证定向钻孔尽可能在煤层中延伸，此次定向钻孔施工的过程中，规定每隔50m探测煤层顶板，根据煤层顶板标高，选取在中上部煤层合适分支点开分支钻进，确保主孔尽可能在煤层中延伸，即采用前进式分支孔钻进工艺。

2010年5月9日至5月20日，施工定向钻孔总进尺为1011m，主孔714m均在煤层中钻进，分支孔累计297m，其中246m在煤层中钻进，51m因探顶在泥岩中钻进，精确控制钻孔轨迹在煤层中延伸，并勘探出2110皮顺巷道预想剖面图，充分体现利用ZDY6000LD钻机及随钻测量系统实现定向钻进的优越性。

三、结论

定向钻进技术具有钻孔轨迹可控性、延长煤孔段长度的优点，作为新兴的瓦斯治理施工技术，在柳林煤田各个煤矿推广应用效果分析，可得出以下几个结论：

1.针对于柳林煤田3#、4#煤层定向钻孔施工，能精确控制钻孔轨迹在2～3m薄煤层中本煤层的瓦斯顺层孔施工，取得了良好的抽采效果。

2.对于短钻孔不能施工抽采区域，施工定向钻孔很好的解决瓦斯超前预抽，保证煤矿接续安全生产发展的需求。

3.定向钻进技术很精确的探测巷道开采区域的瓦斯应力集中区域或水文地质等井下复杂地质情况。